## Pengaruh Variasi Temperatur Tempering Terhadap Nilai Kekuatan Tarik dan Kekerasan Baja Karbon Sedang
Ilyas Yusuf 1* , Nurlaili 2
1,2 Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe, Indonesia *Koresponden email: ilyas@pnl.ac.id
Diterima: 11 Mei 2023
Disetujui: 22 Mei 2023

## Abstract
This study aims to determine the effect of variations in the tempering temperature of medium carbon steel on tensile strength and hardness values. Medium carbon steel formed into test specimens is subjected to a heat treatment process up to a temperature of 830 0 C, holding time of 60 minutes and quenching in an oil medium. Specimens  at  average  temperature  were  then  subjected  to  a  tempering  process  at  temperatures 300, 450 and 550 0 C, with a holding time of 40 minutes. The specimens were characterized by tensile and hardness  tests  using  the  Rockwell  method.  The  base  material  that  was  tested  for  chemical  composition showed that the material had a carbon content of 0.47%. From the tensile test results, the highest  average tensile strength value was found in specimen B1 with a tempering temperature of 450 0 C of 125.36 kg/mm 2 and the lowest in-sample C1 with a tempering temperature of 550 0 C with a tensile strength of 84.31 kg/mm 2 . Meanwhile, the hardness test results were obtained by sample A1 with a tempering temperature of 300 0 C with a hardness of 76.9 HRC, and the lowest was sample C1, with a tempering temperature of 550 0 C, with a hardness of 71.1 HRC. Medium carbon steel that undergoes the tempering process experiences a decrease in tensile strength and hardness as the tempering temperature increases.
Keywords : medium carbon steel, tempering, tensile strength, hardness

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh  variasi  temperatur tempering baja  karbon  sedang terhadap kekuatan tarik dan nilai kekerasan . Baja karbon sedang yang telah dibentuk menjadi spesimen uji dilakukan proses perlakukan panas hingga temperatur 830 0 C, holding time 60 menit dan di- quenching pada media  oli.  Spesimen  yang  telah  pada  temperatur  normal    kemudian  dilakukan  proses tempering dengan temperatur 300 0 C, 450 0 C dan 550 0 C dan holding time selama 40 menit. Spesimen dilakukan karakterisasi uji  tarik  dan  kekerasan  menggunakan  metode Rockwell. Material  dasar  yang  diuji  komposisi  kimia menunjukkan material memiliki kandungan karbon 0,47%. Hasil pengujian didapat spesimen B1 dengan temperatur tempering 450 0 C memiliki nilai rata-rata kekuatan tarik tertinggi  sebesar 125.36 kg/mm 2 dan terendah  pada  sampel  C1  dengan  temperatur tempering 550 0 C  dengan  kekuatan  tarik    84.31  kg/mm 2 . Sedangkan dari hasil pengujian kekerasan dihasilkan oleh sampel A1 dengan temperatur tempering 300 0 C dengan kekerasan 76.9 HRC dan terendah sampel C1, temperatur tempering 550 0 C, dengan kekerasan 71.1 HRC.  Baja  karbon  sedang  yang  mengalami  proses tempering mengalami  penurunan  kekuatan  tarik  dan kekerasan seiring dengan meningkatnya temperatur tempering . Kata kunci : baja karbon sedang, tempering, kekuatan tarik, kekerasan

## 1. Pendahuluan
Baja merupakan paduan yang terdiri dari unsur besi (Fe), karbon (C), dan unsur lainnya yang dapat dibentuk melalui pengecoran, pencanaian, atau tempering. Karbon merupakan salah satu unsur terpenting karena  dapat  meningkatkan kekuatan  dan kekerasan.  Baja  secara  umum dapat  diklasifikasi  menjadi  dua tipe, antara lain baja paduan dan baja karbon. Baja paduan tinggi dan baja paduan rendah termasuk dalam tipe baja paduan. Selanjutnya baja karbon ini terbagi menjadi tiga jenis: baja karbon rendah dengan kadar karbon < 0,30%, baja karbon sedang dengan kadar karbon antara 0,30% - 0,70%, dan kadar karbon 0,70%- 1,40 tergolong dalam baja karbon tinggi [1][2].
Baja karbon sedang banyak digunakan sebagai komponen mesin, seperti: untuk roda gigi, poros, dan poros engkol yang memerlukan daya tahan terhadap beban yang cukup tinggi. Baja ini memiliki sifat laku panas yang baik, sehingga mudah dilakukan modifikasi terhadap karakterisasinya [1], [3], [4]. Penggunaan baja karbon sedang dalam konstruksi mesin tidak terlepas dari kerusakan yang diakibatkan oleh berbagai faktor  seperti;  pembebanan  yang  berlebihan, terjadinya  korosi  dan keausan  akibat  gesekan.  Umur  pakai
dari  material  baja  dapat  ditingkatkan  dengan  menyesuaikan  beban  pemakaian  dan  memodifikasi  sifat material  tersebut.  Salah  satu  teknik  memodifikasi  karakteristik  dari  baja  karbon  sedang  adalah  dengan melakukan perlakuan panas [1], [5], [6].
Perlakuan panas ( heat treatment ) adalah suatu teknik untuk memanipulasi sifat mekanik suatu baja seperti  kekuatan,  kekerasan,  dan  keuletan.  Pada  penelitian  ini  bertujuan  untuk  meningkatkan  nilai kekerasan dan kekuatan tarik. Proses perlakuan panas hardening dan tempering dilakukan terhadap baja karbon  sedang . Material  baja  yang  telah  di -hardening secara quenching akan  memiliki  peningkatan karakteristik seperti: kekuatan tarik dan kekerasan, namun sifat getas dari material meningkat. Salah satu teknik untuk mengurangi tegangan internal dan meningkatkan keuletan material dilakukan proses perlakuan panas  ( tempering ).  Proses  ini  dilakukan  memanaskan  kembali  baja  yang  telah  di- quenching pada temperatur  di  bawah  temperatur  kritis.  Proses  ini  bertujuan  untuk  menghasilkan  gabungan  sifat ketangguhan yang tinggi, kekuatan, dan keuletan.
Perlakuan  panas  tempering  adalah  proses  pemanasan  ulang  baja  yang  telah  di- hardening pada temperatur di bawah temperatur kritis, dilanjutkan dengan pendinginan. Meskipun proses ini menghasilkan baja lunak, proses ini berbeda dengan anil karena sifat-sifatnya dapat dikontrol dengan hati-hati. Perlakuan proses  tempering  dapat  menurunkan kegetasan  material  dikarenakan  struktur  martensit  yang  tidak  stabil [7],  [8].  Logam  dengan  struktur  yang  tidak  stabil  memiliki  kelemahan  seperti  dapat  mengakibatkan percepatan kerusakan. Dengan proses tempering, sifat getas dan tegangan sisa diturunkan dan kekerasannya disesuaikan dengan kebutuhan. Temperatur temper dan waktu pendinginan material baja tergantung pada tipe dan tingkat kekerasan yang diinginkan. Beberapa peneliti terdahulu telah melaporkan pengaruh proses tempering terhadap  berbagai  jenis  baja  [9]–[12].  Namun  demikian  belum  ditemukan  efek  temperatur tempering 300, 450 dan 550 0 C terhadap kekuatan tarik dan kekerasan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efek temperatur tempering 300, 450 dan 550 0 C terhadap karakterisasi kuat tarik dan kekerasan dari baja karbon sedang. Pengujian tarik dan kekerasan dilakukan setelah material mengalami proses hardening pada temperatur 830 0 C dan waktu holding time selama 60 menit. Proses hardening dilakukan dengan di- quenching dalam media oli.

## 2.  Metode Penelitian

## 2.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Pembuatan spesimen, pengujian kekuatan tarik dan kekerasan dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik  Jurusan  Teknik  Mesin  Politeknik  Negeri  Lhokseumawe.  Proses  perlakuan  panas  dilakukan  di Laboratorium  Uji  Bahan  Jurusan  Teknik  Mesin  Politeknik  Negeri  Lhokseumawe.  Waktu  penelitian dilakukan selama delapan bulan.

## 2.2 Material dan Alat Penelitian
Material yang digunakan adalah baja karbon sedang dan hasil pengujian komposisi kimia material memiliki kandungan karbon 0,47%. Peralatan yang digunakan antara lain: dapur pemanas (furnace), mesin uji tarik dan peralatan uji kekerasan, dan peralatan pendukung lainya seperti  mesin gergaji, mesin bubut, mesin grinding polisher. Selanjutnya  sebagai  media  pendingin  pada  proses hardening menggunakan  oli SAE 40.
2.3 Prosedur penelitian

## Pembentukan Spesimen
Spesimen uji tarik dibentuk dengan mesin bubut sebanyak lima buah dari setiap variasi temperatur tempering .  Spesimen  dibentuk  mengacu  pada  standar  ASTM  E8/E8M  seperti  diperlihatkan  Gambar  1. Sebagai kontrol dibentuk spesimen tanpa perlakuan panas. Spesimen tanpa perlakuan panas atau material dasar diberi kode X, spesimen dengan temperatur tempering 300, 450 dan 550 0 C, masing-masing dengan kode A, B dan C.

## Proses Perlakuan Panas
Proses perlakuan panas yang dikerjakan berupa proses hardening dan tempering . Proses hardening dilakukan  dengan  memanaskan  spesimen  di  dalam furnace hingga  mencapai  temperatur  830 0 C  dengan waktu  penahan  60  menit.  Spesimen  kemudian  didinginkan  cepat  ( quenching )  dengan  mencelupkan  ke dalam oli SAE 40. Spesimen yang telah mengalami proses hardening , kemudian dibersihkan hingga bersih dan  dilanjutkan  ke  proses tempering .  Proses tempering dilakukan  pada  temperatur  300,  450  dan  550 0 C dengan waktu penahanan selama 40 menit. Spesimen yang telah mengalami proses tempering didinginkan secara alami hingga mencapai temperatur ruang. Spesimen dikondisikan dalam temperatur ruang selama tujuh hari sebelum dilakukan pengujian tarik dan kekerasan.

## Pengujian Tarik dan Kekerasan
Karakteristik  kekuatan  tarik  dan  kekerasan  spesimen  yang  telah  mengalami  proses tempering menggunakan mesin uji tarik universal testing machine . Gambar 2 dan 3 memperlihatkan proses pengujian tarik  dan  kekerasan.  Pengujian  tarik  dilakukan  hingga  spesimen  putus  dengan  kecepatan  penarik  4 mm/menit.  Data  yang  terekam  di  dalam  program  selanjutnya  diolah  menggunakan  program  Ms.  Excel. Untuk  pengujian  kekerasan,  spesimen  yang  digunakan  adalah  bagian  dari  spesimen  uji  tarik.  Pengujian kekerasan  menggunakan  metode  Rockwell  dengan  lima  titik  penekanan  menggunakan  penetrator  intan berbentuk kerucut dengan beban 150 kg.
Gambar 2 . Proses pengujian tarik Sumber: Lab. Uji Bahan JTM (2022)
Gambar 3 . Proses pengujian kekerasan Sumber: Lab. Uji Bahan JTM (2022)

## 3. Hasil dan Pembahasan
Gambar  4 memperlihatkan  tipikal  kurva  tegangan  regangan  dari  baja  karbon  sedang  setelah mengalami proses tempering . Dari kurva yang dipresentasikan terlihat peningkatan tegangan  tarik diikuti dengan  pertambahan  regangan.  Pada  tegangan  maksimum,  regangan  yang  terjadi  mencapai  0,25. Peningkatan  regangan  menunjukkan  material  sifat  material  cenderung  semakin  ulet.  Selanjutnya,  hasil pengujian  tarik  untuk  semua  spesimen,  baik  raw  material  maupun  material  yang  mengalami  proses tempering diperlihatkan pada Gambar 5 .
Gambar 4 . Tipikal kurva tegangan-regangan baja karbon sedang setelah proses tempering Sumber: Data penelitian (2022)
Dari  hasil  pengujian  tarik,  nilai  tegangan  tarik  material  dasar  baja  karbon  sedang  sebesar  80,65 kg/mm 2 dan spesimen yang mengalami proses tempering berkisar antara 84,31 kg/mm 2 – 125,36 kg/mm 2 . Kekuatan tarik  material baja karbon dengan mengalami kenaikan setelah dilakukan proses perlakuan panas ( hardening dan tempering ).  Kekuatan  tarik  tertinggi  terdapat  pada  temperatur tempering 450 O C  dan terendah pada temperatur tempering 550 O C. dalam kasus ini, kekuatan tarik mengalami penurunan setelah temperatur tempering ditingkatkan.
Gambar 5 . Kekuatan tarik baja karbon sedang dengan berbagai temperatur tempering Sumber: Data penelitian (2022)
Efek heat treatment dapat meningkatkan kekuatan dengan naiknya kandungan unsur karbon. Durasi dan temperatur tempering untuk mengubah sifat kekuatan dan kekerasan berbeda untuk berbagai jenis baja. Baja dapat mengalami peningkatan atau penurunan kekuatan dengan bertambahnya temperatur tempering , demikian juga dengan keuletan [13], [14]. Pada kasus ini, proses tempering telah mengubah pertumbuhan sementit  pada  temperatur  450 o C    sehingga  terjadi  peningkatan  kekuatan  tarik  dan  kekerasan  menurun. Temperatur yang tinggi akan mempercepat penggabungan karbida dan sifat kekerasan akan secara perlahan mengecil [15].
Unsur-unsur paduan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap proses temper. Efek dari itu adalah menghambat  laju  pelunakan.  Untuk  mencapai  kekerasan  tertentu,  baja  paduan  akan  membutuhkan temperatur  temper  yang  lebih  tinggi.  Dalam  proses  tempering  perlu  diperhatikan  suhu  dan  waktu.  Pada saat-saat pertama setelah suhu tempering tercapai, pelunakan terjadi dan pada saat yang sama dengan waktu pemanasan ditingkatkan akan terjadi penurunan kekerasan [13].
Gambar  6  memperlihatkan  karakteristik  perpatahan  material  dasar    dari  penelitian  dan  spesimen setelah  dilakukan  proses  perlakuan  panas  berupa  proses hardening dan tempering . Gambar  6a memperlihatkan perpatahan dari material dasar (raw material) baja karbon sedang. Patahan pada spesimen material  dasar  berbentuk  patah  campuran  antara  patah  getas  dan  patah  ulet.  Untuk  spesimen  yang  telah mengalami proses tempering 300 o C (A) bentuk perpatahan yang terjadi adalah  patah ulet ( Gambar 6b ). Patahan  ulet  dicirikan  dengan  adanya  serabut-serabut  ( fibrous )  dari  hasil  penarikan.  Patahan  ini  disertai perubahan bentuk plastis ( plastis deformation ) dan permukaan patahan nampak kasar, dan berwarna kelabu. Foto makro perpatahan spesimen dengan tempering 450 o C (B) menunjukkan patah getas ( Gambar 6c ).  Patah  getas/brittel  dapat  dicirikan  dengan  keretakan  tidak  diikuti  deformasi,  permukaan  rata  dan mengkilap,  potongan  dapat  dipasang  kembali.  Selanjutnya  untuk  spesimen  yang  di tempering pada temperatur  500 o C  (sample  C)  memperlihatkan  adanya necking (pengecilan  penampang). Necking tidak terjadi pada patahan spesimen  dengan  perlakuan lainnya. Patahan pada sampel C adalah patah ulet, dimana patah  ulet  ini  dicirikan  terjadinya  deformasi  plastis  disekitar  patahan  dan  penyerapan  energi  yang  besar ( Gambar 6d ).
80.65 86.22 125.36 84.31 Raw Material 300 450 550 0 20 40 60 80 100 120 140 Keku at an T ar ik (kg /m m 2 )
Temperatur Tempering (oC)
(a) (b) (c)
(d)
Gambar  7 memperlihatkan  hasil  pengujian  kekerasan  terhadap  baja  karbon  sedang  yang  telah mengalami proses perlakuan panas hardening dan tempering . Kekerasan baja yang telah mengalami proses tempering berkisar antara 71,1 – 76,9 HRC, sedangkan kekerasan material dasar sebesar 84,2 HRC. Pada kasus  ini,  peningkatan  temperatur tempering telah  berefek  pada  penurunan  nilai  kekerasan.  Kekerasan tertinggi terjadi pada temperatur tempering 300 O C dan terendah pada temperatur 550 O C. Hasil ini didukung oleh penelitian  sebelumnya  oleh  [15] yang  menyatakan  temperatur  pemanasan  yang  tinggi  akan  berefek pada penurunan kekerasan dan sifat keuletan meningkat [16].
Gambar 7 . Kekerasan baja karbon sedang dengan berbagai temperatur tempering Sumber: Data penelitian (2022)
Material baja yang dilakukan proses pengerasan biasanya bersifat rapuh, sehingga pada penggunaan tertentu perlu dilakukan peningkatan keuletan. Proses tempering adalah satau teknik perlakuan panas untuk meningkatkan keuletan dengan tidak mengesampingkan kekerasan yang telah ada.  Temperatur tempering dan  waktu  penahanan  berbeda  untuk  berbagai  jenis  baja.  Proses  perlakuan  panas  tempering  pada  suhu rendah antara 150ºC sampai dengan  230ºC tidak berefek signifikan pada penurunan kekuatan. Fenomena ini dikarenakan proses pemanasan bekerja untuk meminimalkan tegangan internal terlebih dahulu, dengan kata  lain tempering pada  temperatur  tersebut  disebut  juga  penuaan  yang  disengaja.  Material  baja  yang mendapatkan proses seperti ini memiliki ukuran yang fix untuk waktu lama pada kondisi ruang. Tempering antara temperatur 200ºC - 380ºC untuk menurunkan kekerasan yang berlebihan dan meningkatkan keuletan. Dengan temperatur tempering yang tinggi dan durasi yang lama holding time yang panjang  maka akan semakin memperkecil besar butir. Dengan mengecilnya besar butir secara tidak langsung  kekerasan akan menurun, tegangan berkurang dan keuletan meningkat [15].

## 4. Kesimpulan
Telah dilakukan perlakuan panas baja karbon sedang berupa proses hardening dan tempering. Kadar karbon  dari  baja  karbon  sedang  spesimen  penelitian  sebesar  0,47%.  Hasil  pengujian  tarik  menunjukan kekuatan tarik baja karbon sedang yang telah mengalami proses tempering berkisar antara 84,31 kg/mm 2 – 125,36 kg/mm 2 , dimana kekuatan tarik  tertinggi terdapat pada temperatur tempering 450 O C dan terendah pada  temperatur tempering 550 O C.  Baja  karbon  sedang  dengan  temperatur tempering 300 O C  (A) menghasilkan kekerasan tertinggi sebesar 76,9 HRC dan terendah 71,1 HRC untuk temperatur 550 O C (C). Peningkatan temperatur tempering berakibat pada penurunan tingkat kekerasan material baja . Peningkatan waktu tempering telah berpengaruh terhadap karakteristik baja karbon sedang dan jenis perpatahan yang terjadi pada pengujian adalah patah getas, ulet dan patah campuran.

## 5. Daftar Pustaka
[1] K.-E. Thelning, Steel and its heat treatment . Butterworth-heinemann, 2013.
[2] S. I. Mawardi, “Perancangan dan fabrikasi mesin extrusi single screw,” Journal of Polimesin , vol. 7, no. 1, pp. 602–606, 2009.
84.2 76.9
71.5 71.1 Raw Material 300 450 550 0 20 40 60 80 100 120 Keker asan (HRC)
Temperatur Tempering (oC)
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
[3] T. V. S. Rajan, C. P. Sharma, and A. K. Sharma, Heat treatment: principles and techniques . PHI Learning Pvt. Ltd., 2011.
[4] G. Singh, “A review on effect of heat treatment on the properties of mild steel,” Materials Today: Proceedings , vol. 37, pp. 2266–2268, 2021.
[5] A. Cottrell, An introduction to metallurgy . CRC Press, 2019.
[6] M. N. Sultana, M. F. Hasan, and M. Islam, “Analysis of mechanical properties of mild steel applying various heat treatment,” in Proceedings of the International Conference on Mechanical, Industrial and Energy Engineering, Khulna, Bangladesh , 2014, pp. 25–26.
[7] Y. Chang, C. Y. Wang, K. M. Zhao, H. Dong, and J. W. Yan, “An introduction to medium-Mn steel: Metallurgy, mechanical properties and warm stamping process,” Materials & Design , vol. 94, pp. 424–432, 2016.
[8] A.  Ajami,  H.  Mirzadeh,  and  M.  Najafi,  “Tempering  of  cold-rolled  martensite  in  mild  steel  and elucidating the effects of alloying elements,” Journal of Materials Engineering and Performance , vol. 29, pp. 858–865, 2020.
[9] S. K. Bonagani, V. Bathula, and V. Kain, “Influence of tempering treatment on microstructure and pitting corrosion of 13 wt.% Cr martensitic stainless steel,” Corrosion Science , vol. 131, pp. 340– 354, 2018.
[10] Chakraborty,  G.,  Das,  C.  R.,  Albert,  S.  K.,  Bhaduri,  A.  K.,  Paul,  V.  T.,  Panneerselvam,  G.,  & Dasgupta,  A,  “Study  on  tempering  behaviour  of  AISI  410  stainless  steel,” Materials Characterization , vol. 100, pp. 81–87, 2015.
[11] J. Zhu, Z. Zhang, and J. Xie, “Improving strength and ductility of H13 die steel by pre-tempering treatment and its mechanism,” Materials Science and Engineering: A , vol. 752, pp. 101–114, 2019.
[12] B. Wang et al. , “Effects of quench-tempering and laser hardening treatment on wear resistance of gray cast iron,” Journal of Materials Research and Technology , vol. 9, no. 4, pp. 8163–8171, 2020.
[13] D.  J.  Purnomo,  S.  Jokosisworo,  and  U.  Budiarto,  “Analisa  Pengaruh  Holding  Time  Tempering Terhadap Kekerasan, Keuletan, Ketangguhan dan Struktur Mikro Pada Baja ST 70,” Jurnal Teknik Perkapalan , vol. 7, no. 1, 2019.
[14] S.  M.  Adams  and  I.  Y.  Suleiman,  “Original  Research  Article  Effect  of  Carburization  Time  and Temperature on the Mechanical Properties of Mild Steel,” Heat treatment , vol. 3, no. 2, pp. 800– 804, 2018.
[15] X. Qi, L. Du, J. Hu, and R. D. K. Misra, “Effect of austenite stability on toughness, ductility, and work-hardening of medium-Mn steel,” Materials Science and Technology , vol. 35, no. 17, pp. 2134– 2142, 2019.
[16] W.  D. Callister  Jr  and  D.  G.  Rethwisch, Fundamentals  of  materials  science  and  engineering: an integrated approach . John Wiley & Sons, 2020.